Plazma, maddenin evrende en çok görülen halidir. Gazlar ısıtılmaya devam edildikçe, atomlarındaki elektronlar kopar ve pozitif iyonlarla serbest elektronlar bir arada plazmayı oluşturur. Bu serbest elektronlar dolayısıyla, plazmanın elektrik iletkenliği metallerden bile yüksektir. Plazma terimi ilk kez 1928’de Irvine Langmuir tarafından tanımlanmış ve kullanılmıştır. Langmuir, iyonlaşmış gazların etrafıyla ilişkisine bakarak onları hücrelerle alışverişte bulunan kan plazmasına benzetmiştir. Bugün ise pozitif iyonları ve elektronları eşit miktarda bulunduran plazmalar, akla gelen ilk anlamını çağrıştırarak (kan plazması) medikal tedavilerde kullanılıyor.
Plazmaların tedavide tercih edilmesinin belli başlı sebepleri şunlar:
- Yüksek enerjili yüklü parçacıklar sayesinde, kolaylıkla 10000 Kelvin gibi sıcaklıklara ulaşabilir. Örneğin, seramik kaplama yapılacaksa, gereken sıcaklık 3000 Kelvin civarıdır ve bunu plazma yaratarak yapmaktan başka yol yoktur. Sağlık alanında ise, doku dağlama ve kaldırma için gereken cerrahi operasyonlar için plazma kullanılabilir.
- Plazmalar yüksek yoğunluğa sahip ve kimyasal olarak aktif iyonları, elektronları, atomları ve radikalleri içinde bulundurur. Yüksek yoğunluklu aktif kimyasallar sayesinde, motordaki ateşleme ve yakma gibi işlemleri de gerçekleştirir. Bu yüksek yoğunluk yüzeylerin, havanın veya su akıntılarının sterilizasyonunda kullanılabilir. Ayrıca doku mühendisliği için de etkilidir.
- Plazmalar termodinamik dengeden uzak da var olabilir. Örneğin, çok yüksek yoğunluklu aktif kimyasal bulunduran plazmalar, oda sıcaklığında tutulabilir. Bu sebeple yarı iletken endüstrisinde, modern bilgisayarlarda ve cep telefonlarında soğuk plazma teknolojisi kullanılır. Sağlık alanında ise kan içeriğini düzenleme, derinin temizlenmesi ve hatta yaraların iyileşmesinde de kullanılır.
Plazmalar oluşumlarına göre farklı özellikler gösterir. Değişiklikler basınç ve sıcaklık değerlerindeki farklardan dolayı oluşur. Burada farklı elektriksel boşalımlar tanıtılacak ve doku tedavisinde ne gibi işlevleri olduğu açıklanmaya çalışılacak. Bu tiplere geçmeden önce, termal ve termal olmayan plazmanın ne olduğunu açıklamak iyi olur. Eğer bir plazmada elektron ve iyonların sıcaklıkları birbirine yakın ve Maxwell dağılımına uyuyorsa, plazma termodinamik dengededir ve termal plazma olarak adlandırılır. Diğer durumda elektronların enerjisi eV seviyesinde iken iyonların enerjisi, yani sıcaklığı, oda sıcaklığında olabilir. Eğer yükler farklı sıcaklıkta bulunuyorsa, termal olmayan plazma yaratılmış demektir.
Akkor Boşalım
Eğer basınç birkaç Torr (1 Torr =133.32 Pascals) civarında olacak kadar düşükse ve sisteme bağlı yüksek akımı engelleyen yüksek dirençli bir ortam varsa, akkor boşalım gözlenir. Floresan lambalarda da bu tip görülür. Sağlık alanında sterilizasyon işlemlerinde ve doku mühendisliğinde kullanılır. Etki edilen alanı temiz ve hasardan uzak tutmak için elektrotsuz ve düşük basınçlı bu plazmalar kullanılır. Plazma, genelde radyo frekans ile yaratılır. Kullanılan gaza göre, elektronların atomlardan salındığı frekanslarda gaz titreştirilir ve eşit sayıda elektron ve pozitif iyon oluşturulur. Termal olmayan plazmalara bir örnektir. Elektronlar titreşimler sayesinde iyonlardan çok daha fazla enerji kazanır ve daha sıcaktır.
Sargın Boşalım
Sargın boşalım, atmosfer basıncında veya daha yüksek basınçlarda gözlemlenir. Termal değildir ve elektrik alanın büyük oranda değiştiği bölgelerde, örneğin küçük çaplarda veya keskin dönüşlerde, olur. Düşük güç kaynaklarıyla veya atımlı güç vererek elde edilebilir. Kıyafetlerin üzerine yapışkan ve sentetik boya uygulamada kullanılır. Sağlık alanında kan içeriğinin düzenlenmesinde, derinin temizlenmesinde, biyopolimer işlemede, doku mühendisliğinde ve yaraları iyileştirmede etkilidir. Medikal uygulamalarda elektrotların aşınmasını önlemek için daha gelişmiş durumdaki atmosfer basıncında çalışan akkor plazma jetleri tercih edilir.
Kıvılcımlı Boşalım
İki elektrot arasında yüksek basınç olduğunda ve sistemin dış direnci düşük olduğunda kıvılcımlı boşalım gözlenir. Elektrotlar arasında termal plazma oluşur ve plazmadan geçen akım yüksektir. 10000 Kelvin’i geçen yüksek sıcaklıklarda yüksek miktarda termal enerji yayılır. Bilim insanları tarafından sıkça çalışılmasının yanında halk tarafından kaynaklama olarak bilinen işlemin de temelidir. Tedavi uygulamalarında doku dağlama ve kaldırma yöntemi olarak kullanılır.
Plazmanın oluşma koşulları basınca ve sıcaklığa bağlı olarak farklıdır. Dolayısıyla elde edilen plazmalar da değişik özelliktedir ve farklı amaçlar için kullanılabilir. Temelde hepsi yüklü parçacıklar içerir ve tedavilerde dokuya doğrudan müdahale etmeden, doku üzerinde değişiklik yapma imkanı sunar. İyonlaştırılan gazın içindeki pozitif veya negatif iyonlar ilgili doku ile etkileşime girer. Örneğin, plazma jeti içindeki süper oksit ($$\text{O}_2^-$$) gibi elektro-negatif gazlar veya hızlı soğutulan sıcak hava ile azot monoksit ($$\text{NO}$$) derişimini arttıran Plazon denilen bir sistem tercih edilir. Plazmaların biyomedikalde giderek kendilerine daha fazla yer bulmasıyla daha üstün aletler de geliştirilmeye devam edecektir.
Nazlı Turan
Kaynak:
Fridman, G., Friedman, G., Gutsol, A., Shekhter, A. B., Vasilets, V. N., & Fridman, A. (2008). Applied Plasma Medicine. Plasma Processes and Polymers, 5(6), 503-533.
Alexander Fridman and Gary Friedman, Plasma Medicine, Chichester, West Sussex, UK, John Wiley & Sons, 2013.